L'àtom d'hidrogen és molt important en l'estudi científic a causa del seu paper fonamental en la comprensió de la física i la química.
A causa de la simplicitat de la seva estructura atòmica, ha estat un component clau en el desenvolupament dels models atòmics i ha ajudat a establir les bases de la teoria quàntica.
Paper de l'hidrogen als models atòmics
En el model atòmic de Bohr, proposat per Niels Bohr el 1913, l'hidrogen va tenir un paper central. Aquest model postulava que els electrons orbiten al voltant del nucli en òrbites circulars i que només són permesos certs nivells d'energia.
Bohr va aplicar el seu model a l'àtom d'hidrogen i va poder derivar una expressió matemàtica que explicava les longituds d'ona de les línies espectrals observades a l'espectre de l'hidrogen. Aquests descobriments van asseure les bases de la teoria quàntica i la idea que l'energia està quantitzada als àtoms.
Posteriorment, el model atòmic de Schrödinger, desenvolupat a la dècada de 1920, va utilitzar les equacions d'ona per descriure la distribució de probabilitat de l'electró al voltant del nucli.
Tot i que aquest model és més complex i es basa en la teoria quàntica, també es va aplicar i s'aplica a l'àtom d'hidrogen com a sistema de referència fonamental.
Propietats de l'hidrogen
Tot seguit mostrem algunes de les propietats més destacades dels àtoms d'hidrogen.
-
Element més lleuger: l'àtom d'hidrogen és l'element més lleuger de la taula periòdica amb un número atòmic de 1.
-
Abundància: és l'element més abundant a l'univers. A la Terra es troba principalment en compostos com l'aigua i els hidrocarburs.
-
Reactivitat química: és altament reactiu i pot formar enllaços covalents i iònics amb altres elements. És essencial en moltes reaccions químiques i és un component clau en la formació de compostos orgànics.
-
Isòtops: té tres isòtops principals: protio (H-1), deuteri (H-2) i triti (H-3). Aquests isòtops tenen diferents nombres de neutrons al nucli i, per tant, propietats lleugerament diferents.
-
Estat d'agregació: A temperatura i pressió ambient, és un gas incolor, inodor i altament inflamable. Tot i això, a temperatures extremadament baixes, pot existir en forma líquida o sòlida.
-
Conductivitat elèctrica: L'hidrogen és un conductor elèctric quan es troba en forma d'ions positius (protons) o negatius (hidrurs).
-
Energia: L'hidrogen és una font d'energia prometedora sobretot a l'àmbit de l'energia nuclear. Les investigacions sobre fusió nuclear es fan utilitzant isòtops d'hidrogen com a combustible. A més, pot ser utilitzat com a combustible en cel·les de combustible per produir electricitat.
L'hidrogen a la taula periòdica
A la taula periòdica, l'hidrogen es troba a la posició número 1 i al grup 1, a causa de la seva configuració electrònica amb un sol electró a la capa K.
Tot i això, la seva ubicació ha estat objecte de debat a causa de les seves propietats químiques úniques i la seva capacitat per perdre o guanyar electrons en diferents condicions. De vegades se'l col·loca a la part superior dels grups 1 i 17, o fins i tot se'l considera un element independent.
La taula següent mostra les propietats d'aquest element químic a la taula periòdica:
| Propietat | Valor |
|---|---|
|
Símbol |
H |
|
Número atòmic |
1 |
|
Massa atòmica |
1.008 u |
|
Configuració electrònica |
1s 1 |
|
Grup |
1 (IA) |
|
Període |
1 |
|
Bloc |
s |
|
Estat d'agregació |
Gas |
|
Punt de fusió |
-259.16 °C |
|
Punt d'ebullició |
-252.87 °C |
|
Densitat |
0.0899 g/cm 3 |
|
Electronegativitat |
2.20 (escala de Pauling) |
|
Ràdio atòmic |
53 pm |
|
Ràdio iònic |
137 pm (H + ) |
|
Configuració electrònica abreujada |
[He] 2s 1 |
Isòtops de l'hidrogen
L'hidrogen té tres isòtops principals, que són variants del mateix àtom amb diferent nombre de neutrons al nucli. Aquests isòtops són:
-
Proti (H-1): També conegut com a hidrogen comú, és l'isòtop més abundant i bàsic de l'hidrogen. Consisteix en un protó al nucli i un electró a l'òrbita, cosa que el converteix en un àtom elèctricament neutre.
-
Deuteri (H-2): És un isòtop de l'hidrogen que conté un protó i un neutró al nucli, cosa que li confereix una massa lleugerament més gran que el protio. El deuteri és estable i es troba en petites quantitats a l'aigua natural, on reemplaça un petit percentatge dels àtoms d'hidrogen.
-
Triti (H-3): És un isòtop radioactiu de l'hidrogen que conté un protó i dos neutrons al nucli. El triti és inestable i es descompon amb una vida mitjana d'aproximadament 12.3 anys. És produït a l'atmosfera per l'acció dels raigs còsmics i també pot ser generat artificialment. El triti s'utilitza en aplicacions científiques, militars i en la indústria nuclear.
Combustible per a la fusió nuclear i la generació delectricitat
L'àtom d'hidrogen té un paper fonamental en la fusió nuclear, que és una font potencialment poderosa i neta d'energia.
La fusió nuclear és el procés en què els nuclis atòmics es combinen per formar un nucli més pesat, alliberant una gran quantitat d'energia en el procés d'acord amb l'equació d'Einsten (E=mc 2 ) .
Reaccions de fusió
En les condicions adequades de temperatura i pressió extremadament altes, els nuclis d'hidrogen es poden fusionar per formar heli. Aquesta fusió es pot fer mitjançant dos processos diferents:
-
Fusió protó-protó: En aquest procés, dos nuclis d'hidrogen, cadascun amb un protó, es combinen per formar un nucli de deuteri (un isòtop de l'hidrogen amb un protó i un neutró) alliberant positrons, neutrins i una gran quantitat d'energia en forma de radiació gamma.
-
Fusió deuteri-triti: En aquest procés, un nucli de deuteri (amb un protó i un neutró) i un nucli de triti (amb un protó i dos neutrons) es fusionen per formar un nucli d'heli-4, alliberant un neutró, energia i radiació gamma.
La fusió nuclear al Sol
La fusió nuclear és la font d'energia que impulsa el sol i altres estrelles, on l'enorme gravetat i la temperatura permeten que passi aquest procés. Tot i això, replicar la fusió nuclear a la Terra per generar electricitat ha estat un desafiament.
La dificultat és mantenir les altes temperatures i pressions necessàries per mantenir el plasma d'hidrogen (estat altament energètic de la matèria) estable durant el temps suficient perquè passi la fusió consumint menys energia que la que s'obté.
Investigació i desenvolupament
Els científics han estat investigant i desenvolupant tecnologies per aconseguir la fusió controlada en reactors de fusió, com el Tokamak i el Stellarator. Aquests dispositius fan servir camps magnètics i altes temperatures per confinar i escalfar el plasma d'hidrogen, creant les condicions necessàries per a la fusió nuclear.
Avantatges de la fusió nuclear
La fusió nuclear té diversos avantatges potencials sobre la fissió nuclear (divisió d'àtoms pesants).
-
En utilitzar àtoms d'hidrogen com a combustible es podria considerar una font d'energia renovable.
-
La fusió no produeix residus nuclears de llarga vida, utilitza combustibles abundants i no emet gasos amb efecte d'hivernacle.
-
La quantitat d'energia alliberada a la fusió nuclear és significativament més gran que a la fissió nuclear.
